Pengaruh Plunge Depth dan Preheat Terhadap Sifat Mekanik Sambungan Friction Stir Welding Polyamide

Transkripsi

1 Pengaruh Plunge Depth dan Preheat Terhadap Sifat Mekanik Sambungan Friction Stir Welding Polyamide Triyono 1, a *, Budi Nugroho 1,b dan Nurul Muhayat 1,c 1 Program studi Teknik Mesin Universitas Sebelas Maret Surakarta, Indonesia a triyono74@staff.uns.ac.id, b budy.i @gmail.com, c nurulmuhayat@ymail.com * penulis penanggung jawab Abstrak Friction stir welding adalah penyambungan dengan memanfaatkan panas yang ditimbulkan oleh gesekan antara material benda kerja dan pin. Beberapa tahun terakhir penelitian tentang FSW untuk material non logam seperti polymer telah banyak dilakukan. Pengelasan Friction Stir Welding memiliki beberapa parameter antara lain kecepatan putaran tool, kecepatan pengelasan, tool plunge depth. Penelitian ini akan meneliti tentang pengaruh plunge depth terhadap sifat mekanik sambungan FSW material polyamide dengan pemanasan awal. Plunge depth yang digunakan dalam penelitian ini adalah 5,6 mm; 5,65 mm; 5,7 mm; 5,75 mm. Parameter yang dijaga tetap konstan yaitu kecepatan putar tool 620 rpm, kecepatan pengelasan 7,3 mm/menit dan sudut kemiringan tool 2 0. Preheat C dan non preheat digunakan untuk membandingkan kedua metode tersebut. Kekuatan tarik dan bending maksimum didapat pada kedalaman pemakanan 5,7 mm dengan preheat. Nilai maksimal kekuatan tarik dan bending adalah 27,3 mpa dan 75,7 mpa. Optimalisasi kedalaman tool dan preheat akan menjadikan proses pengadukan menjadi lebih baik, sehingga material leleh dapat menyebar diseluruh daerah lasan. Penyebaran material leleh yang merata akan meminimalisir terjadinya void atau cacat. Sebagai hasilnya kekuatan mekanik sambungan meningkat. Kata kunci : Friction Stir Welding, Polyamide, Plunge Depth, Heater Pendahuluan Pengelasan merupakan salah satu proses penyambungan material dengan memanfaatkan energi panas (Wiryosumarto dan Okumura 2000). Teknik pengelasan semakin berkembang seiring dengan perkembangan jenis dan aplikasi dari material tersebut. Salah satu teknik pengelasan yang sekarang ini sedang berkembang adalah Friction Stir Welding (FSW). FSW dikenalkan pertama kali oleh The Welding Institute (TWI) of UK 1991 sebagai teknik sambungan padat (Mirsha dan Ma 2005). Kiss dan Czigany, (2007) mempelajari aplikasi FSW pada material polimer dan menyatakan bahwa teknologi FSW dapat diterapkan pada material polymer. Proses FSW terdiri dari tiga fase yaitu plunging, stirring dan retracting (kurtulmus 2012). Konsep dasar teknik penyambungan ini adalah menyambung dua material dengan memanfaatkan sumber panas yang berasal dari gesekan putaran tool dengan permukaan benda kerja. Tool yang berputar ditekankan pada permukaan antara dua material yang akan disambung. Gesekan tool dan material akan menghasilkan panas hingga mencapai temperature 0,6-0,8 temperatur leleh material tersebut (Thomas, dkk. 1991). Pengelasan FSW memiliki kelebihan antara lain tidak memerlukan filer metal, biayanya lebih murah daripada pengelasan busur, hasil pengelasan memiliki sifat mekanik yang baik, proses pengelasan yang lebih cepat dan efisien, pengelasan ini aman karena tidak menggunakan gas pelindung dan aman dari radiasi sinar ultraviolet (Mishra dan Ma, 2005). Menurut Panneerselvam, dkk (2004), hasil sambungan material non logam dengan metode FSW memiliki kekuatan yang lebih tinggi daripada sambungan dengan adhesive bonding.

2 Beberapa tahun terakhir penelitian tentang FSW untuk material non logam seperti polymer telah banyak dilakukan. Polimer merupakan bahan pengganti logam yang sering digunakan pada industri makanan, minuman, otomotif, transportasi, dan tekstil. Dibandingkan dengan logam polimer memiliki keunggulan antara lain ringan, tahan korosi dan lebih murah. Salah satu jenis polimer yang memiliki ketahanan atau daya leleh yang baik adalah polyamide (nylon). Contoh penggunaan polyamide yaitu pada mesin EDM (electric discharge macine) sebagai tempat larutan dielektrik. Setiawan (2011) mempelajari aplikasi FSW dalam material HDPE dan menyatakan bahwa material plastik memiliki nilai konduktivitas panas rendah yang menjadi kendala dalam proses FSW. Terdapat beberapa parameter dalam pengelasan FSW yang perlu diperhatikan yaitu rotational speed, welding speed, design pin, transfer speed, axial force atau shoulder depht plunge, temperatur pengelasan. Arici dan Sinmaz (2005) mempelajari pengaruh tool double pass pada FSW dari polyethylene, dan menyatakan bahwa double pass mampu meningkatkan sifat mekanik sambungan. FSW dapat digunakan untuk penyambungan material thermoplastic, tetapi kualitas sambungan tidak mencukupi karena homogenitas tidak memuaskan dan mengakibatkan embrittlement pada sambungan (Squeo 2009). Lenin (2013) meneliti pengaruh kecepatan tool, kecepatan pengelasan, dan bentuk pin terhadap kekerasan dan struktur mikro pengelasan FSW pada material lembaran nylon 6. Pengelasan FSW dengan perlakuan preheating pada material memiliki homogenitas dan sifat mekanis yang lebih baik daripada tanpa preheating (Aydin 2010). Prasad (2012) mengemukakan bahwa untuk mendapatkan hasil lasan yang maksimal perlu kondisi dimana material sekitar tool cukup panas untuk meminimalkan gaya yang bekerja pada tool. Plunge depth adalah kedalaman terendah tool shoulder yang menembus benda kerja (Dirhamsyah 2011). Banyak penelitian yang dilakukan pada hasil pengelasan FSW hanya membahas pengaruh kecepatan tool, kecepatan pengelasan, dan bentuk pin, sedangkan pengaruh kedalaman pemakanan atau plunge depth belum banyak dilakukan. Padahal kedalaman pemakanan akan berpengaruh pada tingkat penetrasi dan panas yang dihasilkan. Penelitian ini akan meneliti tentang pengaruh plunge depth terhadap sifat mekanik sambungan FSW material polyamide dengan pemanasan awal. Proses pengelasan FSW pada penelitian ini akan dimodifikasi dengan menambahkan pemanasan awal berupa electric heater yang diletakkan pada permukaan benda kerja. Pemanas tambahan berfungsi untuk memanaskan benda kerja atau preheat. Dengan adanya preheat pada benda kerja hasil lasan diharapkan menjadi lebih baik. Metodologi Penelitian Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah plat polyamide. Dimensi material pengelasan adalah 200 x 85 x 6 mm. Pengelasan menggunakan mesin milling 57-3C. Pengelasan FSW dalam penelitian ini menggunakan dua metode yaitu pengelasan tanpa pemanasan awal dan pengelasan dengan pemanasan awal dengan setting alat seperti terlihat pada Gambar 1. Gambar 1. Proses Friction stir welding (a) tanpa pemanasan awal (b) dengan pemanasan awal

3 Kedalaman pemakanan (plunge depth) divariasi sebesr 5,6 mm, 5,65 mm, 5,7 mm, 5,75 mm. Parameter proses FSW yang dijaga konstan antara lain adalah tool inclined sebesar 2º, kecepatan putar sebesar 620 rpm dan transfer speed adalah 7,3 mm/min. Temperatur pada variasi pemanasan awal diatur sebesar 170ºC menggunakan thermocontroller. Pengujian tarik hasil las dilakukan dengan Universal Testing Machine berdasarkan standar ASTM D 638. Dimensi gambar ditunjukkan oleh Gambar mm Gambar 2. Spesimen uji tarik Pengujian bending meliputi dua pengujian yaitu face bending dan root bending. Pengujian bending dilakukan dengan metode 3 point bending menggunakan Universal Testing Machine berdasarkan standar ASTM D 790. Dimensi spesimen ditunjukkan Gambar mm friction heat mengakibatkan material yang meleleh semakin banyak sehingga pengadukan material dapat terjadi secara optimal. Pengadukan material yang sempurna oleh putaran tool menyebabkan material leleh atau soft material mengisi secara sempurna kedalam rongga sambungan sehingga mempersempit ruang terbentuknya cacat pada sambungan. Semakin rongga sambungan atau zona las terisi penuh maka kekuatan tariknya akan semakin meningkat (Paygadeh dkk, 2011). Kekuatan tarik sambungan las dengan pemanasan awal memiliki nilai yang lebih tinggi dari pada tanpa pemanasan awal. Hal tersebut terjadi karena peningkatan temperatur pada material akan mengakibatkan material menjadi lunak sehingga pengadukan material oleh putaran tool lebih optimal dan material leleh dapat mengisi seluruh rongga sambungan. 115,2 mm Gambar 3. Spesimen uji bending Hasil Penelitian Dan Pembahasan Gambar 4. menunjukkan hubungan antara tensile strength dengan tool plunge depth, dari gambar tersebut diketahui bahwa tool plunge depth akan berpengaruh terhadap kekuatan tarik sambungan. Hal ini dapat dilihat pada spesimen dengan variasi 5,6mm 5,65mm, dan 5,7mm dimana seiring dengan penambahan kedalaman tool maka kekuatan tarik sambungan semakin meningkat. Penambahan kedalaman tool akan mengakibatkan tekanan tool semakin meningkat, sehingga produksi friction heat akan meningkat. Peningkatan 24 mm Gambar 4. Pengaruh Tool plunge depth dan pemanasan awal terhadap kekuatan tarik spesimen hasil las FSW polyamide. Kekuatan tarik terendah terjadi pada variasi kedalaman tool 5,6mm tanpa pemanasan awal yaitu 11,36 Mpa. Hal ini terjadi karena kedalaman tool yang kurang akan menyebabkan tekanan yang diterima oleh material kurang, sehingga friction heat yang dihasilkan dari gesekan antara tool dengan material benda kerja kurang. Friction heat yang kurang akan mengakibatkan material yang leleh tidak mengisi rongga sambungan secara penuh dan akibatnya terjadi cacat void pada sambungan.

4 Gambar 5. Foto makro patahan spesimen tarik las FSW polyamide rawan, hal ini terlihat dari bentuk patahan yang selalu melewati daerah cacat. Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat bahwa patahan selalu terjadi pada sisi advancing (sisi bagian pengelasan yang searah dengan arah pengelasan) yang merupakan sisi dimana terdapat banyak cacat dan tingkat homogenitas yang kurang. Pemanasan awal dan kedalamn tool yang sesuai akan mengurangi terjadinya cacat, sehingga kekuatan sambungan akan semakin meningkat. a. (Root Bending) Gambar 6. Foto makro penampang melintang spesimen las FSW polyamide dengan variasi tool depth plunge dan pemanasan awal Jenis cacat yang terjadi pada pengelasan FSW berupa cacat rongga (void). Void terjadi karena kurangnya tekanan tool terhadap material benda kerja dan mengakibatkan friction heat dihasilkan tidak mampu untuk melelehkan material secara optimal sehingga jumlah material yang meleleh tidak dapat mengisi rongga sambungan secara sempurna. Selain cacat void kurangnya material yang meleleh mengakibatkan sambungan material kurang homogen, hal ini dapat dilihat dari warna putih yang terdapat pada sambungan. Gambar 5 menunjukkan patahan yang dihasilkan dari pengujian tarik terlihat bahwa daerah cacat menjadi bagian yang paling b. (Face Bending) Gambar 7. Pengaruh Tool Plunge Depth dan pemanasan awal terhadap kekuatan Root bending dan Face bending spesimen hasil las FSW polyamide. Gambar 7 menunjukkan bahwa kenaikan nilai kekuatan bending meningkat seiring dengan penambahan kedalaman pemakanan baik pada face bending dan root bending. Hal ini dapat dilihat pada spesimen dengan variasi kedalamn pemakanan 5,6, 5,65, 5,7 mm. Penambahan kedalaman tool menyebabkan kenaikan tekanan tool sehingga friction heat akibat gesekan antara material dengan tool pada saat proses pengadukan berlangsung

5 meningkat. Peningkatan friction heat akan mengakibatkan soft material atau material leleh semakin banyak, sehingga rongga sambungan terisi penuh. Semakin banyak molten material yang mengisi rongga sambungan secara sempurna akan mempersempit ruang terbentuknya void pada sambungan. Sambungan material dengan menggunakan pemanasan awal memiliki nilai kekuatan bending yang lebih besar daripada tanpa pemanasan awal. Hal tersebut terjadi karena peningkatan temperatur pada material mengakibatkan material menjadi lunak, sehingga pengadukan material lebih optimal. Nilai kekuatan bending terendah terjadi pada root bending dengan variasi kedalaman pemakanan 5,6 mm tanpa pemanasan awal yaitu 36,07 Mpa. Hal ini terjadi karena kurangnya tekanan yang diterima material, friction heat yang dihasilkan tidak mampu untuk melelehkan material secara sempurna. Sotf material yang kurang akan mengakibatkan adanya rongga pada sambungan dan mengurangi kekuatan sambungan. Kekuatan bending tertinggi terjadi pada face bending dengan variasi kedalaman pemakanan 5,7 mm dengan pemanasan awal sebesar 75,7 Mpa. Penambahan kedalaman pemakanan akan mengakibatkan tekanan meningkat sehingga friction heat meningkat (Kurtulmus, 2012). Peningkatan friction heat akan membuat molten material semakin banyak, dan dengan pemanasan awal tersebut membuat material menjadi lunak sehingga pengadukan terjadi secara optimal. Kekuatan face bending dan root bending material dengan variasi kedalaman pemakanan 5,75 mm mengalami penurunan baik pada variasi pemanasan awal dan tanpa pemanasan awal. Hal tersebut dapat dilihat dari Gambar 6 yang menunjukkan foto makro lasan dimana, tekanan yang semakin besar mengakibatkan friction heat yang dihasilkan semakin besar sehingga memicu terjadinya cacat berupa void dan menyebabkan kekuatannya sambungan berkurang. Hasil patahan spesimen pengujian bending dapat dilihat pada Gambar 8, yang menunjukkan bahwa daerah cacat menjadi awal terjadinya patahan. Penambahan kedalaman pemakanan akan berpengaruh pada homogenitas sambungan yang ditunjukkan dengan mulai berkurangnya warna putih pada sambungan seiring dengan penambahan kedalaman pemakanan. Namun pada kedalaman pemakanan yang terlalu dalam menyebabkan munculnya cacat berupa void pada sambungan yang terjadi karena friction heat yang terlalu tinggi. Pemanasan awal juga menjadikan homogenitas sambungan semakin baik, namun pada kedalaman maksimal pemanasan awal akan menjadikan kekuatan sambungan turun karena munculnya cacat berupa void pada sambungan. Penambahan pemakanan akan berpengaruh pada tekanan tol terhadap material benda kerja sehingga friction heat akan meningkat. Peningkatan friction heat menjadikan soft material semakin banyak sehingga sambungan dapat terisi dengan penuh. Hal tersebut dapat dilihat pada gambar 4.5 dimana semakin dalam pemakanan maka homogenitas meningkat dan cacat pada sambungan akan semakin berkurang. Namun kedalaman pemakanan yang terlalu dalam akan menjadikan material rusak. Hal ini terjadi karena pemakanan yang terlalu dalam menyebabkan friction heat terlalu tinggi sehingga memicu terjadinya cacat pada sambungan, yang berakibat kekuatan sambungan menurun. Gambar 8. Foto makro patahan spesimen root bending las FSW polyamide

6 Pemanasan awal juga berpengaruh terhadap struktur makro dari lasan, dimana dengan adanya pemanasan awal struktur makro dari sambungan menjadi semakin baik. Hal ini terjadi karena pemanasan awal akan menjadikan material lunak sehingga pengadukan material oleh tool dapat berlangsung secara optimal. Pengadukan yang optimal menjadikan material leleh dapat tersebar merata mengisi rongga sambungan sehingga sambungan lebih kuat. Namun pemanasan awal pada kedalaman pemakanan paling dalam menjadikan sambungan berkurang kekuatannya, hal ini terjadi karena friction heat yang terlalu tinggi karena pemakanan yang terlalu dalam dan ditambah pemanasan awal mengakibatkan munculnya cacat berupa void pada sambungan. Penambahan kedalaman pemakanan dan pemanasan awal yang sesuai akan mengurangi terjadinya cacat pada sambungan sehingga sambungan akan semakin kuat. Kesimpulan Kesimpulan yang bisa diperoleh dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Peningkatan kedalaman pemakanan sampai 5,7 mm menyebabkan friction heat meningkat, sehingga pengadukan material menjadi optimal dan mampu mengisi seluruh rongga sambunga, namun ketika kedalaman ditingkatkan sampai 5,75 mm panas yang dihasilkan terlalu tinggi dan mengakibatkan timbulnya cacat pada sambungan, sehingga kekuatan mekaniknya turun. 2. Pemanasan awal pada Friction Stir Welding menjadikan material lunak sehingga pengadukan menjadi optimal dimana sampai kedalaman pemakanan 5,7 mm kekuatan mekaniknya semakin meningkat, namun ketika kedalaman ditingkatkan sampai 5,75 mm pemanasan awal menjadikan cacat pada sambungan semakin meningkat hal ini mengakibatkan kekuatan mekaniknya menurun. 3. Kekuatan mekanik tertinggi didapat pada kedalaman pemakanan 5,7 mm dengan pemanasan awal yaitu tarik 27,3 Mpa, face bending 75,7 mm dan root bending 63,4 Mpa. Referensi [1] Arici A, Sinmaz T Effect of Double Passes of The Tool on Friction Stir Welding of Polyethylene. Departement of Mechanical Engineering, Kocealy University, Ismit, Turkey [2] Mishra RS, Ma ZY Friction Stir Welding and Processing. Material Science and Engineering, 50 : [3] Kiss Z, Czigany T Applicability of Friction Stir Welding in Polymeric Materials.Per. Pol. Mech. Eng., 51 : [4] Aydin M Effect Of Welding Parameters And Pre-heating On The Friction Stir Welding Polyethylene. Polymer Plastic Technology And Engineer 49:6, [5] Dirhamsyah MR Pengaruh Perubahan Parameter Terhadap Sifat Mekanik Material AC4CH Pada Proses FSW. Skripsi Universitas Indonesia. [6] Lenin K, Panneerselvam Study Hardness and Micro Structural Characterization of The Friction Stir Welding Nylon 6 Plate. International Journal of Mechanical, Vol. 2, Issues 2 : [7] Megantoro L, Hendroprasetyo W Pengaruh Pengelasan Aluminium 5083 Terhadap Sifat Mekanis dan Biaya Pengelasan dengan Perbedaan Diameter Shoulder pada Friction Stir Welding. Jurnal Ilmiah Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya, 1 9. [8] Memduh K Friction Stir Spot Welding Parameters For Polyprophylene Sheets. Departemen Of Material Technology, Marmara University, Istanbul, 34772, Turkey [9] Mustafa K, Ahmet I Effect Of Welding Prameters On Friction Stir Spot Welding Of High Density Polyethylene Sheets. Departemen Of Material Technology, Marmara University, Istanbul 34722, Turkey [10] Panneerselvam K, Aravindan S, Noorul Haq A Joining Of Plastic By Frictional Vibration. International Symposium Of Research Student On Materials Sience And Engineering, 1-5.

7 [11] Payganeh GH, Mostafa A, Dadgar A, Ghasemi F, Saeidi BM Effects of Friction Stir Welding Process Parameters on Appareances and Strength of Polypropylene Composite Welds.International Journal of Physical Sciences, 6 : [12] Prasad RV, Raghava M Fsw Of Polypropylene Reinforced With Al2o3 Nano Composites, Effect On Mechanical And Microstructural Properties. International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA), Vol. 2, Issues 6 : [13] Setiawan A, Irawan YS, Purnowidodo A Pengaruh Temperatur Pelat Landasan Selama Proses Friction Stir Welding Terhadap Kekuatan Tarik Sambungan Las Lembaran HDPE. Jurnal Rekayasa Mesin Vol.2, No [14] Squeo EA, Bruno G, Guglielmotti A, Quadrini F Friction Sir Welding Of Polyethylene Sheets.The Annals of Dunarea De Jos University Of Galati.Fascicle V, Techonologies in Machine Building,ISSN Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)